باستخدام مواد جديدة ، يتم إجراء التمثيل الضوئي الاصطناعي
ستكون الطريقة الجديدة مهمة للغاية للحصول على الطاقة
ربما سمعت عن العملية التي تقوم بها النباتات وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية. بفضل عملية التمثيل الضوئي ، وهي عملية تطلق فيها النباتات أو الطحالب الأكسجين (O 2) وتستهلك ثاني أكسيد الكربون (CO 2) ، تستمر الحياة على الأرض. ولكن ماذا لو تمكنا من إعادة إنتاج مثل هذه الطريقة الطبيعية للحصول على الطاقة بشكل مصطنع؟
قامت مجموعة من الباحثين من معهد الكيمياء (IQ) التابع لجامعة ولاية كامبيناس (Unicamp) بتطوير مواد بمقياس نانومتر (جزء من المليار من المتر) لمحاولة إجراء عملية التمثيل الضوئي بشكل مصطنع ، بهدف رئيسي هو إنتاج الطاقة.
قال جاكسون ديرسو ميجياتو جونيور ، أستاذ من معدل ذكاء Unicamp ، لوكالة FAPESP.
بدأت فكرة التمثيل الضوئي الاصطناعي في بداية القرن العشرين ، لكنها لم تُعتبر ممكنة إلا قبل بضع سنوات ، مع بعض التطورات العلمية التي سمحت ، في المختبر ، باستخدام الطاقة الشمسية والمياه لتوليد غازات الهيدروجين والأكسجين. وفقًا للمخرج ميجياتو.
من بين الابتكارات ، ربما تكون أهم الابتكارات هي المواد المحفزة التي تسرع التفاعلات عند تنشيطها بواسطة الطاقة الشمسية ، وتكسر جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
كما تم تطوير الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون ، مما يفتح آفاقًا لربط هذه المواد النشطة ضوئيًا بخلايا الوقود التقليدية - الخلايا الكهروكيميائية التي تحول المواد الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق الجمع بين غازات الهيدروجين والأكسجين لتكوين جزيئات الماء مرة أخرى. وفقًا لديرسو ميجياتو ، يتمثل التحدي في توصيل المواد بخلية وقود. وقال: "إذا تمكنا من استخدام الهيدروجين والأكسجين الذي تنتجه مواد جديدة في خلية وقود ، فسيكون من الممكن توليد الماء والكهرباء مرة أخرى وإغلاق دورة إجراء عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي".
ومع ذلك ، هناك بعض الجوانب السلبية لاستخدام لوح السيليكون كمواد لعملية التمثيل الضوئي: ارتفاع التكاليف وصعوبة المناولة لتحقيق النقاء المطلوب.
بديل للسيليكون
تم البحث عن مادة طبيعية بديلة لإنتاج التمثيل الضوئي الاصطناعي ، حيث لم تكن الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون قابلة للتطبيق في ذلك الوقت. سعى معدل ذكاء Unicamp إلى هذا البديل في الطبيعة نفسها. لا يوجد محفز أفضل من الكلوروفيل ، وهو صبغة ، بالإضافة إلى إعطائها لونًا أخضر ، تُستخدم أيضًا بشكل طبيعي من قبل النباتات لعملية التمثيل الضوئي. هذه الجزيئات هي المخرج من الطبيعة لتكون قادرة على امتصاص الطاقة الشمسية. ومع ذلك ، فإن عملية تركيبها الكيميائي صعبة ومكلفة "، علق ميجياتو.
لذلك ، تم إنشاء الكلوروفيل الاصطناعي ، يسمى البورفيرين. إنه أسهل في الاستخدام ويتمتع باستقرار كيميائي لا يوفره الكلوروفيل الطبيعي.
"أظهرت هذه المواد ، عند توصيلها بالمحفزات ، أنها واعدة جدًا لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية من خلال أكسدة جزيئات الماء ، ولكن في الوقت الحالي ، تتم دراستها فقط في محلول مائي وليس في عملية التمثيل الضوئي قال ميجياتو "جهاز حقيقي".
الهدف الآن هو تشكيل فيلم بوليمري فعال ضوئيًا مع الجزيئات المتولدة ، من أجل تطوير مادة صلبة ، وإيداعها على ألواح معدنية وأشباه الموصلات (أقطاب كهربائية) ، اللازمة لعمل الخلية الشمسية.
وخلص ميجياتو إلى أن "المعرفة المكتسبة في هذا المشروع يمكن أيضًا تطبيقها في البحوث الزراعية لزيادة إنتاجية النباتات المستخدمة في إنتاج الوقود الحيوي".
المصدر: وكالة FAPESP
